Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов и устройство для его осуществления

 

1. Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов в квазистационарном режиме, включающий измерение плотностей теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, дополнительно измеряют изменения плотностей теплового потока по толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхностями исследуемого образца, а искомые теплофизические характеристики вычисляют по формулам cj а, сг . ai-4z - . ( 2&T Y с, LV. сJ объемная теплоемкость исгде cp следуемого образца, равная произведению массовой теплоемкости С и плотности Л; О коэффициент температуропроводности; коэффициент теплопроводнос-Л сл ти; U Т - перепад температур между противоположными рабочими поверхностями образца; 0.,|2 плотности теплового потока, проходящего через противо положные рабочие поверхносо ти исследуемого образца; сд со сд UQjiuQ.- изменения плотности теплового потока, происходящие по толщине образцов сравне-; ния с известными теплофи-ч , зическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхностями исследуемого образца; C,C,.R константы, учитывакнцие из , вестные теплофизические свойства образцов сравнения; h - толщина исследуемого образца . 2. Устройство для определения тепшофизических характеристик плоских

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (11) 4(51) С 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где ср

Я! 42

6((,, Ь

cñ, р»

2. Уст

1лофизичес

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3659357/24-25 (22) 27.09.83 (46) 07.07.85. Бюл. И 25 (72) Т. Г. Грищенко, О.А. Геращенко, Л.В. Декуша и H.À. Синцов (71) Институт технической теплофизики

АН Украинской ССР (53) 536.6(088.8) (56) 1 ° Авторское свидетельство СССР

Ф 100931, кл. С 01 N 25/20, 1953.

2. Авторское свидетельство СССР.

В 817563, кл. (01 N 25/18, 1979 (прототип).

3. Пахомов В.Н. и др. Теплометрические приборы для комплексного определения теплофизических характеристик лабильных материалов ° — "Промышленная теплотехника", 1981, т. 3, Ы 1, с. 96-102 (прототип). (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ

МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ определения теплофизических характеристик плоских образцов материалов в кваэистационарном режиме, включающий измерение плотностей теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения погрешности определеийя объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, дополнительно измеряют изменения плотностей теплового потока по толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхностями исследуемого образца, а искомые теплофизические характеристики вычисляют по формулам объемная тепяоемкость исследуемого образца, равная произведению массовой теплоемкости С и плотности/); коэффициент температуропроводности; коэффициент теплопроводности; перепад температур между противоположными рабочими поверхностями образца; плотности теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца; изменения плотности теплового потока, происходящие по толщине образцов сравне-. ния с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими „ поверхностями исследуемого образца; константы, учитывающие известные теплофиэические свойства образцов сравнения у толщина исследуемого обазца. ройство для определения тепких характеристик плоских образцов материалов, включающее два соосно и последовательно расположенных блока программированного изменения температуры исследуемого образца, на каждом из которых на обращенных одна к другой поверхностях уста" новлен тепломер с датчиком температуры поверхности тепломера, контактирующий с исследуемым образцом, .о т л и ч а ю. щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешностей определения объемной теплоемкости и коэффициента температуропроводности, в устройство дополнительно введены тепломеры, идентичные по теплофизическим свойствам и конструктивным параметрам имеющимся гепломерам с датчиками температуры и расположен65957 ные между блоками .программированного изменения температуры и соотвествующими тепломерами с датчиками температуры, причем.для каждой пары контактирующих между собой тепломеров эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединными сечениями дополнительно введенного тепломера и имеющегося тепломера с датчиком температуры, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединным се.е чением имеющегося тепломера с датчиком температуры и его поверхностью, контактирующей с рабочей поверхностью исследуемого об)разца.

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено для определения теплофизических характеристик .(ТФХ) твердых неметаллических материалов в квазистационарном тепловом режиме ,на основе измерений тепловых потоков;

Известны способ и устройство для определения коэффициентов теплопро- 1О водности и объемной теплоемкости стройматериалов. Способ основан на измерении температуры поверхности исследуемого материала в условиях квазистационарного теплового режима, заключающийся в том, что образ,цы исследуемого материала в виде четырех плоских плиток укладывают один на другой и помещают в теплоизоляционную камеру вместе с про- 20 ложенными между ниии электронагре- вателями одинаковой мощности, пита-. емыми от источника постоянного тока. Кроме того, между средними образцами устанавливают дифференци- 25 лльную термопару и термопару с постоянной температурой холодного сная.

lto истечении времени, требуемого для установления квазистационарного режима, регистрируют показания термопар н определяют искомые ТФХ, т.е. теп,юпроводность и объемную теплоемс кость, равную произведению массовой теплоемкости и плотности, по следующим формулам

% 015 . и С1) О 7

1 где q — плотность теплового потока, воспринятого поверхностями средних образцов в момент а и определяемая по мощности электронагревателя;

h †толщи образцов (для всех одинаковая);

5 t — перепад температур, определяемый по показаниям дифференциальной термопары;

U — скорость изменения температуры, принятая равной отношеHHlO (Т„ -Т-„) .(< -,) тором Т- и Т значения темпе< ратуры какого-либо сечения образца, например поверхности, соответственно в моменты времени 1 и ь .

Устройство, реализующее этот способ, включает теплоизоляционную камеру, в которую помещают пакет иэ образцов, электронагревателей и системы термопар j1).

Недостатками способа и устройства . являются большие погрешности при определении искомых ТФХ, которые обусловлены невозможностью обеспечить. при изготовлении строгую идентичность

30 где Ч,, Ч2 плотности теплового потока на двух противопо- 35 ложных рабочих поверхностях образца, при этом индекс "1" относится к "горячей" поверхности; 40 перепад температур между поверхностями образца; скорость изменения тем-. пературы: . 45 константа устройства, реализующего известный способ, учитывающая термическое сопротивление в месте заделки 50 спаев термопар; вторая константа устройства, учитывающая собственную теплоемкость тепломеров, ис- 55 пользуемых для измерения плотности теплового потока.

R— з 1165 четырех образцов, что приводит к неодинаковой плотности теплового потока через средние образцы и неравенству нулю тепловых потоков через крайние образцы. 5

Наибольший вклад в общую погрешность вносит определение скорости изменения температуры.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения ТФХ материалов на одном плоском образце, основанный на измерении в квазистационарном режиме плотности теплового потока, температуры и последующем определении скорости изменения температуры и заключающийся в том, что тепловой поток пропускают через исследуемый образец. в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям, нагревая обра- 20

;зец при условии постоянной разности температур между его поверхностями P2) .

Искомые ТФХ определяют по следующим формулам: 25

957 4

Недостатком способа является большая погрешность определения скорости изменения температуры образца в квазистационарном тепловом режиме. Например, при скорости изменения температуры 60 К/ч, интервал отсчета в одну минуту и при условии измерения температур с погрешностью не хуже О, 1 К погрешность определения указанной скорости изменения температур может в отдельных случаях достичь 14Х. Эта погрешность имеет тенденцию возрастать из-за пульсаций температуры и некорректной регистрации их изменений во времени. Погрешность определения скорости разогрева можно значительно уменьшить, если опыты вести при больших (не менее 100 К/ч) скоростях разогрева образца. Однако при этом происходит сужение диапазона температур, в котором возможна проведение измерений в квазистационарном режиме, а получаемые результаты приходится осреднять по большему перепаду температур, что также. приводит к увеличению погрешности определения ТФХ.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, содержащее два плоских тепломера, установленных на обращенных друг к другу поверхностях блоков программированного изменения температуры с постоянной скоростью, и систему термопар, вмонтированных в поверхности тепломеров, контактирующие с рабочими поверхностями исследуемого образца, помещаемого во время эксперимента между тепломерами.

Термопары предназначены для изменения температур рабочих поверхностей образца Т1 и Т, и определения по их показаниям разности температур ДТ "=Т .-Тг, температуры отнесения То полученных результатов при определеHHH ТФХ атн (T1+1г) (11 1г) (4)

2 5 1 г%ч и скорости температуры P) .

Недостатками устройства являются большая погрешность определения теплоемкости (порядка 5-77), температуропроводности (порядка 10-127) и теплопроводности (8-10X) из-за погрешностей, возникающих при определении плотности теплового потока

1165957 и температуры вследствие необходимости непрерывно корректировать коэффициенты преобразования тепломеров и термопар с изменением их собствен- ных температур во время опыта. Это 3 значительно усложняет обработку экспериментальных данных для получения корректных результатов по определяемым величинам ТФХ.

Кроме того, при определении теплоемкости необходимо учитывать изменение величины константы устройства в зависимости от изменения температуры.

Цель изобретения — снижение по- 15 грешности определения объемной теплоемкости и температуропроводности плоских образцов, исследуемых материалов в квазистационарном тепловом режиме. 26

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических характеристик плоских образцов в материалах в . квазистационарном режиме, включаю- И щему измерение плотностей теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца, и температур этих поверхностей, дополнительно р измеряют изменения плотностей теплового потока по толщине образцов сравнения с известными теплофизическими свойствами, контактирующих с рабочими поверхностями исследуемого образца, а искомые ТФХ исследуемого образца вычисляют по формулам: для объемной теплоемкости дпя коэффициента температуропроводности, учитывая соотношение (Э)

43 ъ b(Ч Ч, (6) для коэффициента теплопроводности, @ используя формулу (1)

=,,;;, ), где h -- толщина образца

q1и q — плотности теплового потока, проходящего через противоположные рабочие поверхности исследуемого образца;

M) и g q — изменения плотностей теплового потока, происходящие в образцах сравнения с известными теплофизическими свойствами, контактирующих ,с рабочими поверхностями исследуемого образца;

6Т вЂ” перепад температур между противоположными рабочими поверхностями исследуемого образца;

С1, Ся, R †констан, учитывающие известные ТФХ образцов сравнения.

Устройство для определения ТФХ плоских образцов, содержащее два соосно и последовательно расположенных блока программированного изменения температуры, например нагревателя, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях установлен тепломер с датчиком температуры поверхности тепломера, контактирующей с исследуемым образцом, дополнительно введены тепломеры, идентичные по теплофизическим свойствам и геометрическим параметрам имеющимся тепломерам с датчиками температуры и расположенные между блоками программированного изменения температуры и соответствующими тепломерами с датчиками температуры.

При этом для каждой пары контактирующих между собой тепломеров эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединными сечениями дополнительно введенного тепломера и имеющегося тепломера с датчиком температуры, имеет такую же температурную зависимость, что и эффективная теплоемкость слоя, заключенного между серединным сечением имеющегося тепломера с датчиком температуры и его поверхностью, контактирующей с рабочей поверхнос- тью исследуемого образца.

На фиг. 1 представлен график распределения плотности тепловых потоков и температур; на фиг. 2 — схема размещения блоков программирОванного изменения температуры и тепломеров в устройстве. устройство содержит тепломеры

1 и 2 с датчиками температуры, дополнительные тепломеры 3 и 4, датчики 5 и 6 температуры, блоки 7 и и

35 где q„ плотности теплового потока, измеренные тепломерами соответственно i=1,2,3,4; 40 с р h, где с p - объемная теплоемкость исследуемого образца, h — его толщина; — коэффициент, учитывающий суммарную эффективную тепло-45 емкость слоев, прилегающих к рабочим поверхностям исследуемого образца и расположенных между серединными сечениями тепломеров 1 и 2 50 и поверхностями этих тепломеров, контактирующими с исследуемым образцом, т.е. между сечениями В, С и сече ниями В,, С,;- 55

С „ и

С вЂ” коэффициенты, учитывающие суммарную эффективную теп7 11659 программированного изменения тем=,. пературы, например электронагревателя, работающие по заданной программе, образец 9 исследуемый.

В основу способа заложена и",зестная закономерность, заключающаяся в том, что при наступлении регулярного теплового режима 2-ro рода для пластины (либо системы пластин, находящихся между собой в тепловом 10 . контакте) температура в любой точке блока является линейной функцией времени, а распределение температуры по толщине пластины (либо по толщинам каждой пластины в системе) }5 описывается законом параболы. При этом имеет место постоянство скорости изменения температуры во времени и в любом сечении. Характер распределения плотности теплового потока . 20 и температур во времени показан на фиг.. 1.

Способ реализуется наиболее эффективно, если в качестве плоских образцов сравнения с известными теп- 25 лофизическими свойствами использовать тепломеры типа "вспомогательной стенки". Исходя из этой посылки и закона сохранения энергии для систем плоских тел, представленной на 50 фиг. 2, можно записать следующие уравнения:

57 8 лоемкость слоев, заключенных между серединными сечениями контактирующих между собой тепломеров: соответственно тепломеров 1 и 3 (между сечениями А и В) и тепломеров 2 и 4 (меящу сечениями А и В);

U — - скорость изменения температуры, равная dT/É, где

Т вЂ” текущее значение температуры для момента времел ни о.

Решая систему уравнений (7), получим: !

С - +С -ф,-я С, 1 h aq++eq с с, где Ч Чз Чх ЛЧг=Чг-Ч4.,При обозначений коэффициентов С„=С < и

С1 g -С =С, формула (8) преобразуется в рабочую формулу (5) . Эти коэффициенты учитывают по существу балластные теплоемкости, которые можно определять в градуировочных опытах с образцовыми мерами иэ эталонных веществ.

Для вычисления коэффициента теплопроводности используем известную формулу (1), а для коэффициента температуропроводности рабочая формула получается из (5) с .учетом известного соотношения (3).

Иэ анализа формул (5) и (6) видно, что для определения теплоемкости не требуется определять скорость изменения температуры, что является главным достоинством предлагаемого способа.

Устройство работает следующим образом.

Оно (фиг. 2) содержит тепломеры 1-4, датчики 5 и 6 температуры поверхностей тепломеров 1 и 2 и блоки 7 и 8 программированного изменения температуры исследуемого образца 9, расположенные одни относительно другого последовательно и соосно.

Блоки 7 и 8 обеспечивают нагрев образца с заданной постоянной скоростью. Тепломеры, находящиеся попарно в механическом и тепловом контакте (1 и 3,2 и 4), установлены на обращенных друг к другу поверхностях блоков программированного изменения температуры, соответственно тепломеры 1 и 3 — на блоке 7 и теп116595

9 ломеры 2 и 4 — на блоке 8. На поверхностях тепломеров 1 и 2, приводимых во время опытов в тепловой контакт с рабочими поверхностями исследуемого образца 9, .размещены 5 датчики 5 и 6 температуры, предназначенные для определения температуры соответствующей рабочей поверхности образца 9. Все тепломеры выполняются идентичными по теплофизи- f0 ческим свойствам и конструктивным параметрам (например, площади поверхности тепломеров одинаковые, коэффициенты преобразования теплового потока в электрический сигнал f5 тоже одинаковы, что упрощает измерительную схему устройства, теплофизические характеристики в рабочем диапазоне температур у тепломеров одинаковые). 20

Тепломеры выполнены таким образом, чтобы суммарные эффективные тепло- емкости элементов тепломеров, расположенных между серединными сечениями контактирующих между собой тепло- 25 м ров, и слоев, расположенных между серединными сечениями тепломеров, контактирующих с исследуемым .образцом 9 (т.е. тепломеров 1 и 2 . с датчиками 5 и 6 температуры) и поверхностями, контактирующими с образцом, имели одинаковые зависимости от температуры. Это обеспечивает независимость отношения — входящего в формулы (5) и (6), 3$

С

2 от температуры.

Применение в устройстве тепломеров, выполненных с одинаковыми чувствительностями к тепловому по10 току, позволяет в .измерительной схеме устройства использовать дифференциальное соединение тепломеров.

После выравнивания скоростей изменения температуры в обоих блоках (о чем судят по установившемуся значению разности температур рабочих поверхностей образца 9, измеряемых с помощью датчиков 5 и 6 температуры или по установившемуся значению плотности теплового потока, измеряемому тепломерами 1-4), производят обработку экспериментальных данных, т.е. показаний упомянутых тепломеров и датчиков температуры.

Уменьшение погрешности измерений в способе определения теплоемкости достигается за счет погрешности, связанной с необходимостью определения скорости изменения температуры.

Использование высокоточной регистрирующей аппаратуры для измерения электрических сигналов привносит погрешность не более 0,57.

Погрешность определения констант устройства зависит от погрешностей используемых образцовых мер, которые не превышают по теплоемкости

0,27, по теплопроводности З, так как предельную погрешность определения теплоемкости можно оценить в 3,57., температуропроводности — 67..

Кроме того, возможно определение

ТФХ в широком температурном диапа †. зоне. Время проведения опыта по измерению комплекса ТФХ в диапазоне температур 100-500 К составляет в зависимости от выбранной скорости измерения температуры от 2 до 8 ч.

1165957

1165957

Составитель В. Гусева ,Редактор С. Патрушева Техред М.Гергель Корректор Л. Пилипенко

Заказ 4302/36 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4